第二章 钢结构的材料

本文由张明正1990贡献ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。黄淮学院第2章钢结构的材料主要内容：主要内容：对钢结构用材的要求钢材的主要性能及其鉴定影响钢材性能的因素建筑钢材的类别及钢材的选用重点：重点：影响钢材性能的因素建筑钢材的类别及钢材的选用难点：难点：建筑钢材的类别及钢材的选用2011-3-231黄淮学院2.1钢结构对材料的要求一、用作钢结构的钢必须符合下列要求：用作钢结构的钢必须符合下列要求：1、高的强度。即抗拉强度fu和屈服点y比较高。、高的强度。即抗拉强度和屈服点f比较高。2、足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。、足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。3、良好的加工性能。即适合冷、热加工，良好的可焊性。、良好的加工性能。即适合冷、热加工，良好的可焊性。4、适应低温、有害介质侵蚀包括大气锈蚀以及重复荷载作包括大气锈蚀)以及重复荷载作、适应低温、有害介质侵蚀(包括大气锈蚀用等的性能。用等的性能。二、钢结构设计规范具体规定：钢结构设计规范具体规定：承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和碳、承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和碳、磷含量的合格保证；硫、磷含量的合格保证；焊接结构尚应具有冷弯试验的合格保证；焊接结构尚应具有冷弯试验的合格保证；对某些承受动力荷载的结构以及重要的受拉或受弯的焊接结构尚应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。结构尚应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。2011-3-232黄淮学院第二节钢材的破坏形式一、钢材有两种性质完全不同的破坏形式即塑性破坏和脆性破坏钢结构所用的材料虽然有较高的塑性和韧性，钢结构所用的材料虽然有较高的塑性和韧性，一般为塑性破坏，但在一定的条件下，仍然有脆性破坏的可能性。破坏，但在一定的条件下，仍然有脆性破坏的可能性。二、塑性破坏变形大，变形大，破坏前构件产生较大的塑性变形三、脆性破坏脆性破坏前塑性变形很小，破坏前没有明显的预兆甚至没有脆性破坏前塑性变形很小，破坏前没有明显的预兆甚至没有没有明显的预兆塑性变形2011-3-2332.3钢材的主要性能及其鉴定受拉、2.3.1受拉、受压及受剪时的性能2.3.1.1单向拉伸时的工作性能条件：常温、条件：常温、静载条件下一次拉伸黄淮学院2011-3-23钢材的一次拉伸应力－图2.1钢材的一次拉伸应力－应变曲线4黄淮学院σfyσfy0ε00.2%残余应变ε图2.2理想弹塑性材料的σ-ε曲线料的曲线图2.3钢材的条件屈服点2011-3-235黄淮学院1.比例极限σP比例极限σ比例极限这是应力-应变图中直线段的最大应力值严格地说，应变图中直线段的最大应力值。这是应力应变图中直线段的最大应力值。严格地说，略高处还有弹性极限，但弹性极限与σ极其接近，比σP略高处还有弹性极限，但弹性极限与σP极其接近，所以通常略去弹性极限的点，看做是弹性极限。所以通常略去弹性极限的点，把σP看做是弹性极限。2.屈服点σy屈服点σ屈服点应变ε之后不再与应力成正比，而是渐渐加大，应变ε在σP之后不再与应力成正比，而是渐渐加大，应力-应变间成曲线关系一直到屈服点。应变间成曲线关系，应力应变间成曲线关系，一直到屈服点。卸荷后试件中残余应变为0.2％条件屈服点：卸荷后试件中残余应变为％所对应的应力高强度钢没有明显的屈服点和屈服台阶。高强度钢没有明显的屈服点和屈服台阶。这类钢的屈服条件是根据试验分析结果而人为规定的，条件是根据试验分析结果而人为规定的，故称为条件屈服点(或屈服强度或屈服强度)。服点或屈服强度。2011-3-236黄淮学院3.抗拉强度σu抗拉强度σ抗拉强度屈服平台之后，应变增长时又需有应力的增长，屈服平台之后，应变增长时又需有应力的增长，但相最高点。对地说·应变增加得快呈现曲线关系直到最高点应变增加得快，对地说应变增加得快，呈现曲线关系直到最高点。2.3.1.2塑性性能伸长率δ伸长率δ5和δ10伸长率是断裂前试件的永久变形与原标定长度的百分取圆形试件直径d的五倍或十倍为标定长度的五倍或十倍为标定长度，比。取圆形试件直径的五倍或十倍为标定长度，其相应的伸长率用δ表示，伸长率用δ5和δ10表示，伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形的能力。结构制造时，这种能力使材料经受剪切、变形的能力。结构制造时，这种能力使材料经受剪切、冲弯曲及锤击所产生的局部屈服而无明显损坏。压、弯曲及锤击所产生的局部屈服而无明显损坏。屈服点、抗拉强度和伸长率，屈服点、抗拉强度和伸长率，是钢材的三个重要力学性能指标。指标。钢结构中所采用的钢材都应满足钢结构设计规范对这三项力学性能指标的要求。这三项力学性能指标的要求。2011-3-237黄淮学院屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性，屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性，其意义是：其意义是1．作为结构计算中材料强度标准，或材料抗力标准。应作为结构计算中材料强度标准，或材料抗力标准。力达到σy时的应变与σP时的应变较接近，可以认为应力力达到σ时的应变与σ时的应变较接近，达到σ时为弹性变形的终点。同时，达到σ达到σy时为弹性变形的终点。同时，达到σy后在一个较大的应变范围内应力不会继续增加，大的应变范围内应力不会继续增加，表示结构一时丧失继续承担更大荷载的能力，故此以σ继续承担更大荷载的能力，故此以σy作为弹性计算时强度的标准。度的标准。2．形成理想弹塑性体的模型，2．形成理想弹塑性体的模型，为发展钢结构计算理论提供基础。之前，钢材近于理想弹性体，之后，供基础。σy之前，钢材近于理想弹性体，σy之后，塑性应变范围很大而应力保持不增长，所以接近理想塑性性应变范围很大而应力保持不增长，因此，体。因此，可以用两根直线的图形作为理想弹塑性体的应力-应变模型钢结构设计规范对塑性设计的规定，应变模型。应力应变模型。钢结构设计规范对塑性设计的规定，就以材料是理想弹塑性体的假设为依据，就以材料是理想弹塑性体的假设为依据，忽略了应变硬化的有利作用。化的有利作用。2011-3-238黄淮学院2.3.2冷弯性能根据试样厚度，根据试样厚度，按规定的弯心直径将试样弯曲180弯心直径将试样弯曲度，其表面及侧无裂纹或分层则为“分层则为“冷弯试验合格”。冷弯性能是判别钢材塑性变形能力及冶金质量的综合指标。合指标。图2.4钢材的冷弯试验2011-3-239黄淮学院2.2.3冲击韧性与抵抗冲击作用有关的钢材的性能是韧性。与抵抗冲击作用有关的钢材的性能是韧性。韧性是钢韧性材断裂时吸收机械能能力的量度。材断裂时吸收机械能能力的量度。吸收较多能量才断裂的钢材，是韧性好的钢材。钢材，是韧性好的钢材。钢材在一次拉伸静载作用下断裂时所吸收的能量，用钢材在一次拉伸静载作用下断裂时所吸收的能量，单位体积吸收的能量来表示，其值等于应力-应变曲线下单位体积吸收的能量来表示，其值等于应力应变曲线下的面积。的面积。然而，实际工作中，然而，实际工作中，不用上述方法来衡量钢材的韧性而用冲击韧性衡量钢材抗脆断的性能，，而用冲击韧性衡量钢材抗脆断的性能，因为实际结构中脆性断裂并不发生在单向受拉的地方，而总是发生在有缺脆性断裂并不发生在单向受拉的地方，而总是发生在有缺口高峰应力的地方的地方，口高峰应力的地方，在缺口高峰应力的地方常呈三向受拉的应力状态。的应力状态。2011-3-2310黄淮学院由于低温对钢材的脆性破坏有显著影响，在寒冷地区建造的由于低温对钢材的脆性破坏有显著影响，在寒冷地区建造的结构不但要求钢材具有常温(20℃)冲击韧常温(20℃)结构不但要求钢材具有常温(20℃)冲击韧性指标，还要求具有负温(o℃(o℃、20℃或一40℃)冲击韧性或一40℃)性指标，还要求具有负温(o℃、一20℃或一40℃)冲击韧性指标，以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。指标，以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。图2.5钢材的冲击试验钢材的冲击试验2011-3-2311黄淮学院2.2.4可焊性与可焊性是指采用一般焊接工艺就可完成合格的(无与可焊性是指采用一般焊接工艺就可完成合格的无裂纹的)焊缝的性能焊缝的性能。裂纹的焊缝的性能。钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在0.12％~0.20％范围内的碳素钢，可焊性最好。碳含量量在％％范围内的碳素钢，可焊性最好。再高可使焊缝和热影响区变脆。再高可使焊缝和热影响区变脆。2011-3-2312黄淮学院2.2.5钢材性能的鉴定与根据《钢结构工程施工质量验收规范》与根据《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205-2001)的规定，对进入钢结构工程实施的规定，的规定现场的主要材料需进行进场验收，现场的主要材料需进行进场验收，即检查钢材的质量合格证明文件、中文标识及检验报告，质量合格证明文件、中文标识及检验报告，确认钢材的品种、规格、钢材的品种、规格、性能是否符合现行国家标准和设计要求。和设计要求。2011-3-2313黄淮学院2.4影响钢材性能的因素2.4.1化学成分的影响钢是含碳量小于％的铁碳合金，大于2％钢是含碳量小于2％的铁碳合金，碳大于％小于时则为铸铁。时则为铸铁。制造钢结构所用的材料有碳素结构钢中的低碳钢及低合金结构钢。构钢中的低碳钢及低合金结构钢。碳素结构钢由钝铁、碳及杂质元素组成，其中纯铁约占纯铁约占99由钝铁、碳及杂质元素组成，其中纯铁约占碳及杂质元素约占1％。％，碳及杂质元素约占％，碳及杂质元素约占％。低合金结构钢中，低合金结构钢中，除上述元素外还加入合金元素，后者总量通常不超过3％。％。碳及其他元素元素，后者总量通常不超过％。碳及其他元素虽然所占比重不大，虽然所占比重不大，但对钢材性能却有重要影响。2011-3-2314黄淮学院碳（C））碳是碳素结构钢中仅次于铁的主要元素，仅次于铁的主要元素碳是碳素结构钢中仅次于铁的主要元素，是影钢材强度的主要因素的主要因素。响钢材强度的主要因素。C↑，塑性和韧性、尤其，塑性和韧性↓、是低温冲击韧性↓，可焊性、抗腐蚀性、冷弯性能↓↓。是低温冲击韧性，可焊性、抗腐蚀性、冷弯性能。因此结构用钢的含碳量一般不应超过一般不应超过0.22%，对焊因此结构用钢的含碳量一般不应超过，接结构应低于0.2%。接结构应低于。锰（Mn））锰是一种弱脱氧剂，锰是一种弱脱氧剂，适量的锰含量可以有效地提高钢材的强度，又能消除硫、提高钢材的强度，又能消除硫、氧对钢材的热脆影响，而不显著降低钢材的塑性和韧性。而不显著降低钢材的塑性和韧性。2011-3-2315黄淮学院硅（Si））硅是一种强脱氧剂脱氧剂，硅是一种强脱氧剂，适量的硅可提高钢材的强度，而对塑性、韧性、的强度，而对塑性、韧性、冷弯性能和可焊性无明显不良影响，但硅含量过大时，无明显不良影响，但硅含量过大时，会降低钢材的塑性、韧性、抗锈蚀性和可焊性。材的塑性、韧性、抗锈蚀性和可焊性。钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti)、、钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的钛都能使钢材晶粒细化。低合金钢都含有这三种元素，低合金钢都含有这三种元素，作为锰以外的合金元素，既可提高钢材强度，金元素，既可提高钢材强度，又保持良好的塑韧性。性、韧性。2011-3-2316黄淮学院铝(Al)、铬(Cr)、镍(Ni)、、铝是强脱氧剂用铝进行补充脱氧，强脱氧剂，铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅进一步减少钢中的有害氧化物，而且能细化晶粒。一步减少钢中的有害氧化物，而且能细化晶粒。铬和镍是提高钢材强度的合金元素，用于Q390铬和镍是提高钢材强度的合金元素，用于钢和Q420钢。钢和钢硫（S））硫是一种有害元素降低钢材的塑性、韧性、有害元素，硫是一种有害元素，降低钢材的塑性、韧性、可焊性、抗锈蚀性等，可焊性、抗锈蚀性等，在高温时使钢材变脆即热脆。热脆。2011-3-2317黄淮学院磷(P)磷既是有害元素也是能利用的合金元素。有害元素也是能利用的合金元素磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷是碳素钢中的杂质，它在低温下使钢变脆，是碳素钢中的杂质，它在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆冷脆。种现象称为冷脆。在高温时磷也能使钢减少塑但磷能提高钢的强度